В перспективе циркониевую оболочку тепловыделяющих элементов в атомных реакторах сможет заменить более безопасный неметаллический материал.
Исследователи находят карбид кремния хорошим кандидатом, который сможет заменить циркониевый сплав, служащий в атомной энергетике не менее полувека.
В случае, когда у атомного реактора случается критическая ситуация, наибольшая проблема состоит во взрыве водорода, который скапливается при контакте водяного пара и тепловыделяющего элемента, или ТВЭЛа. Покрытие этих элементов выполнено циркониевым сплавом, который имеет хождение около 90% атомной электростанции.
Однако существует ли возможность снизить до минимума угрозу образования водорода в таких ситуациях?
Ученые из Массачусетского технологического института (США) во главе с Муджидом Казими попробовали заменить металлическую оболочку на керамическую.
Исследователями было проведено ряд экспериментов, в результате которых можно предположить, что карбид кремния – достойная замена циркониевому сплаву в качестве оболочки. В ходе исследования материал нагревали не только до 300°С – нормальной температуры внутренностей реактора, но и проверяли его пригодность для работы в экстремальных условиях, свойственных для аварий, при которых перегревается активная зона реактора. Стоит отметить, что карбид кремния, который вы можете приобрести в компании Литпром, прекрасно показал себя при температуре в 1500°С.
Несмотря на то, что исследование проходило на небольшом реакторе, который принадлежит МТИ, в нем удалось создать условия не только соответствующие радиационным, химическим и тепловым нагрузкам атомной электростанции, но и значительно более жесткие, возможные только лишь при сбоях системы. Главный вопрос, волновавший ученых, состоял в склонности карбида кремния стимулировать образование водорода при контакте с водой в случае неисправности систем охлаждения.
Основным фактором разрушения тепловыделяющего элемента при перегреве является усиление коррозии циркониевого сплава с ростом температуры, а также снижение его прочности на 2% при повышении температуры на каждые 10°С. При 1300°С циркониевый сплав практически теряют свою прочность, в то время как карбид кремния не снизил этот показатель даже при 1500°С. Скорость образования коррозии в этом температурном диапазоне у него была в 100-1000 раз ниже, чем у циркония.
Вышеперечисленные факторы затрудняют образование водорода при перегреве, а также позволяют эксплуатировать тепловыделяющие элементы в совершенно другом режиме. На сегодняшний день их меняют каждые 4-5 лет из-за постоянного контакта с водой, температура которой достигает 300°С. Это является основной причиной разрушения стенок. К этому моменту ТВЭЛы не прекращают деление, а это вынуждает использовать их повторно, но уже не целиком, а частично. Разумеется, более устойчивый к коррозии тепловыделяющий элемент дольше не нуждается в замене.
Очевидно, что по результатам всего одной серии испытаний в такой рискованной отрасли не принимаются решения. Для этого необходимы дополнительные продолжительные эксперименты, чтобы определить способности карбида кремния к безопасному соединению с металлическими дисками на концах тепловыделяющего элемента. Как известно, керамику не так легко сварить, поэтому придется изрядно потрудиться, чтобы прийти к подходящим техпроцессам. Кроме того, карбид кремния не так хорошо исследован в плане соединения с другими компонентами, нежели металлы.
Особенностью карбида кремния является также и его менее предсказуемая, чем у металлов, деформация. Это требует дополнительных испытаний.
Однако карбид кремния пока считается исследователями подходящим кандидатом на замену циркониевого сплава, служащего в атомной энергетике уже 50 лет.
